無刷直流電機在脈寬調制下的轉矩脈動抑制
孟光偉，李槐樹， 熊浩
(海軍工程大學電氣工程系，湖北武漢430033)
摘要：分析無刷直流電機(BLDcM)穩態換相轉矩脈動與轉速的關系，確定換相叫問與電樞電流及反電勢之間的關系。分析脈寬捅制(PwM)方式對i相六狀態二二導通Bl肌cM控制系統的影響，提出了在PwM ON—PwM(前30。和后30。進行PwM控制，中間60。保持恒通)方式下的轉矩脈動補償控制。該控制不仍能夠完全消除非換相期削由于關斷桶出現電流l缸引起的電磁轉矩脈動，還能夠完全補償由于換相而引起的轉矩脈動，實現電機在低速和高速時的無轉矩脈動控制。
關鍵詞：無刷直流電機；轉矩脈動；脈寬調制中圖分類號：TM 33文獻標志碼：A文章編號
0 引言
無刷直流電機(Bmshless Dc M0tor，BLDcM)因其結構簡單、調速性能好、功率密度高、低噪聲、控制簡單等特點，得到了越來越廣泛的應用。具有梯形波反電動勢(平頂寬度≥120。)BLDcM轉矩脈動的抑制及控制性能的改善一直是研究的熱點。
BLDcM可以工作在各種脈寬調制(Pulsewidth M0dulaLion，PwM)模式下，不同的PwM模式，不但影響功率開關管的動態損耗與散熱均勻性，而且對轉矩脈動的影響也很大。通過改變直流母線斬波控制”，保持非換相相電流的恒定，能有效抑制換相轉矩脈動，但會使其拓撲結構復雜。低速時可通過控制非換相相電流的大小來調節換相轉矩脈動[4]。文獻[5]僅針對PwM ON方式對轉矩脈動的影響進行分析。文獻[6—8]對電機不同速度區采用不同的換相轉矩脈動抑制方法，但未考慮PwM對系統的影響。文獻[9一12]引入預測電流控制、神經網絡控制、自抗擾控制等來抑制轉矩脈動，控制算法復雜，不便于實現。
針對BLDCM的換相過程，以及PwM對控制系統的影響，本文在保持PwM一0N中PwM優良性能的基礎上，在電機低速、高速時，通過對換相期間PwM調制比的求取，提出，在不同速度時的換相轉矩脈動補償控制，在原有拓撲結構不變的基礎上，大大提高了系統的控制性能，電利于實現。
1換相過程分析
設BLDcM三相對稱，星型連接，忽略電樞反應，不計渦流和磁滯損耗，則其等效電路及其驅動主電路如圖1所示。圖中：R、L分別定子繞組電阻和電感，eA、eB、eC分別為三相繞組上的反電動勢。當電機工作在三相六狀態120。導通方式時，由于電樞繞組電感的影響，電流換相不是瞬時完成的，功率開炎管由T1、T2導通變為T2、T3導通，即電路狀態由A、c兩相繞組導通切換為B、c兩相繞組導通為例來分析換相過程。在換相過程中，A相電流由D4續流，逐漸減小為0，B相電流逐漸增大達到穩態值，換相過程的電路方程為
考慮電機各相繞組的反電動勢為平頂寬度≥120。電角度的梯形波，幅值為Em,則換相過程中：eA=eB=一eC=Em。與BLDcM的繞組時間常數L／R相比，可以認為PwM的周期足夠小，則：|Rix|=|LdiX／dit|，X=A，B，c，可忽略電樞繞組電阻的影響[6]，并考慮各相電流的初值和終值為換柏前后各電流的穩態值I0，由式(1)可得換相期間的各相電流：
由式(2)可得，換相期間A相繞組的關斷時間t1和B相繞組的開通時間t2分別為
設轉子機械角速度為ω，則換相期間的電磁轉矩為
由式(2)～(5)可知：
當Ud>4Em時，即電機轉速小于一定值時，兩相電流換相不能同時完成，在iA降為0之前，iB已達到穩態值，如圖2中換相情形I，且換相引起轉矩增加，轉矩脈動為
當Ud=4Em時，即電機在一定轉速下運行時，兩相繞組的換相可以同時完成，在iA降為O的同時iB達到穩態值，如圖2中換相情形Ⅱ，且換相過程中轉矩保持恒定，其值等于非換相期問的電磁轉矩： 當Ud<4Em時，即電機轉速大于一定值時，兩相電流換相不能同時完成，在iA已降為0時，iB還沒有達到穩態值，如圖2中換相情形Ⅲ |
